PL238543B1 - Hybrydowy układ elektrochemiczny - Google Patents

Hybrydowy układ elektrochemiczny Download PDF

Info

Publication number
PL238543B1
PL238543B1 PL425071A PL42507118A PL238543B1 PL 238543 B1 PL238543 B1 PL 238543B1 PL 425071 A PL425071 A PL 425071A PL 42507118 A PL42507118 A PL 42507118A PL 238543 B1 PL238543 B1 PL 238543B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
aqueous solution
electrolyte
mol
electrochemical system
electrodes
Prior art date
Application number
PL425071A
Other languages
English (en)
Other versions
PL425071A1 (pl
Inventor
Krzysztof Fic
Barbara Górska
Paulina Bujewska
Elżbieta FRĄCKOWIAK
Elżbieta Frąckowiak
Original Assignee
Politechnika Poznanska
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Politechnika Poznanska filed Critical Politechnika Poznanska
Priority to PL425071A priority Critical patent/PL238543B1/pl
Publication of PL425071A1 publication Critical patent/PL425071A1/pl
Publication of PL238543B1 publication Critical patent/PL238543B1/pl

Links

Landscapes

  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Description

Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest hybrydowy układ elektrochemiczny mający zastosowanie jako urządzenie do magazynowania energii.
Kondensatory elektrochemiczne (KE) to wysoko-pojemnościowe urządzenia do magazynowania energii elektrycznej. Energia w KE może być gromadzona głównie poprzez:
• elektrostatyczną akumulację ładunku w podwójnej warstwie elektrycznej (PWE), która formuje się na granicy faz elektroda/elektrolit; po odłączeniu źródła napięcia zakumulowane jony są utrzymywane w PWE siłami przyciągania elektrostatycznego, • zjawisko pseudopojemności, wykorzystujące szybkie i odwracalne reakcje faradajowskie.
Kondensatory elektrochemiczne charakteryzują się dużymi wartościami pojemności, dużą gęstością mocy, co pozwala na zapewnienie ich szybkiego ładowania/wyładowania, oraz znakomitą trwałością cykliczną (nawet do 1 000 000 cykli). Dodatkową zaletą tych urządzeń jest ich prosta konstrukcja: dwie elektrody oddzielone od siebie izolującą elektrycznie membraną, pozwalającą na przepływ jonów, zanurzone są w elektrolicie (wodnym, organicznym lub w cieczy jonowej). W przypadku zastosowania elektrolitów wodnych montaż układu jest zdecydowanie prostszy, gdyż nie wymaga pracy w atmosferze ochronnej, tzn. pozbawionej wilgoci i tlenu.
Pojemność kondensatora elektrochemicznego (C) - ilość ładunku zakumulowanego w zadanym przedziale potencjału (wyrażoną w Paradach) można opisać za pomocą równania:
w którym ε oznacza stałą dielektryczną, S - powierzchnię na granicy faz elektroda/elektrolit oraz d- grubość PWE. Zatem w celu uzyskania wyższej pojemności kondensatora elektrochemicznego korzystnym jest zastosowanie elektrod o dużej wartości powierzchni właściwej (która przekłada się na elektrochemicznie aktywną powierzchnię adsorpcji jonów, biorącą udział w tworzeniu PWE).
Najczęściej stosowanymi materiałami elektrodowymi są węgle aktywne. Ich charakterystyczną cechą jest rozwinięta powierzchnia właściwa (500 - 2500 m2/g). Są one również łatwo dostępne w relatywnie niskiej cenie. Dzięki odpowiedniemu doborowi materiału elektrodowego do elektrolitu (biorąc pod uwagę wielkość porów oraz ich rozmieszczenie, a także obecność różnych grup funkcyjnych) można uzyskać pojemności rzędu: 100 - 300 F/g w zależności od zastosowanego elektrolitu (wodnego, organicznego lub cieczy jonowej). Zwiększanie pojemności KE poprzez zastosowanie materiałów o wyższej wartości powierzchni właściwej jest ograniczone, ze względu na obecność coraz większej ilości mikroporów (porów o średnicach mniejszych niż 2 nm) w materiale elektrodowym, które są niedostępne dla jonów, zatem nie mogą być w pełni wykorzystane.
Dzięki zwiększonej pojemności układu (C) uzyskuje się jego większą energię właściwą (E):
E=}-CU2
Z powyższego równania wynika również, że istotnym parametrem w zwiększaniu energii właściwej KE jest napięcie pracy układu (L/). Dzięki elektrolitom organicznym, pracującym w szerokim zakresie napięć (2,5 - 2,8 V) uzyskuje się wysokie wartości energii. Jednakże bezpieczeństwo stosowania takich KE jest ograniczone, ze względu na stosowane rozpuszczalniki organiczne, które są lotne, toksyczne i łatwopalne. Zdecydowanie bezpieczniejsze jak i tańsze są elektrolity wodne - roztwory kwasów, wodorotlenków i soli. Dodatkową zaletą elektrolitów wodnych jest duże stężenie jonów, które powoduje wysokie przewodnictwo, co z kolei przekłada się na osiąganie wysokich gęstości mocy KE. Ich najczęściej wymienianą wadą jest napięcie pracy - niższe niż w przypadku elektrolitów organicznych, co wynika z teoretycznej wartości napięcia rozkładu wody (1,23 V). Dla KE na bazie elektrolitów kwasowych i zasadowych przy zastosowaniu węgla aktywnego jako materiału elektrodowego maksymalne napięcie pracy wynosi 0,7 - 0,8 V. Dla neutralnych soli siarczanowych metali alkalicznych udało się uzyskać zdecydowanie wyższe wartości napięcia: 1,6 - 2,0 V (F.Beguin, V.Presser, A.Balducci, E.Frąckowiak, Adv. Mater., 26 (2014) 2219/2251).
Wykorzystanie wspomnianych wcześniej efektów pseudopojemnościowych jest popularnym sposobem zwiększenia pojemności kondensatorów elektrochemicznych. Mogą one pochodzić z reakcji
PL 238 543 B1 redoks pomiędzy elektroaktywną grupą funkcyjną materiału węglowego (przykładowo para redoks chinon-hydrochinon; E.Raymundo-Pinero, F.Leroux, F.Beguin, Adv. Mater., 18 (2006) 1877-1882) lub też z elektrolitów charakteryzujących się właściwościami pseudopojemnościowymi, np. halogenków metali alkalicznych takich jak KI (E.Frąckowiak, M.Meller, J.Menzel, D. Gastol, K. Fic, Faraday Discuss. 172 (2014) 179-198) oraz KBr (Q. Li, M.Haque, V.Kuzmenko, N.Ramani, P.Lundgren, A.D.Smith, P.Enoksson, J.Power Sources, 348 (2017) 219-228) czy też pseudohalogenków - roztworów rodaków metali alkalicznych lub rodanku amonu co jest znane w stanie techniki z opisu patentowego P.414196. Dla kondensatorów elektrochemicznych pracujących z elektrolitem na bazie wodnych roztworów jodków zauważono, że elektrochemiczna charakterystyka tych układów zależy również od zastosowanych kolektorów prądowych. W przypadku zastosowania złotych kolektorów prądowych dochodzi do reakcji pomiędzy złotem a anionami jodkowymi - powstają trwałe kompleksy, które z kolei powodują korozję kolektorów prądowych (G.Lota, E.Frąckowiak, Electrochem. Commun. 11 (2009) 87-90). Zjawisko formowania kompleksów złota z anionami jodkowymi, a także tiocyjanianowymi jest wykorzystywane również w hydrometalurgii do ługowania złota. Jednakże nie znaleziono źródeł literaturowych wskazujących na zastosowanie nanocząstek złota jako składnika elektrolitu w celu poprawy parametrów pracy hybrydowych układów elektrochemicznych. Poprzez dodatek nanocząstek złota do układu polepszeniu uległy wartości energii oraz mocy, a także wydajność jego pracy.
Istotą wynalazku jest hybrydowy układ elektrochemiczny pracujący w elektrolicie wodnym, którego oddzielone separatorem elektrody wykonane są z materiału węglowego o wysoko rozwiniętej powierzchni właściwej (rzędu 2000 m2/g), charakteryzujący się tym, że elektrolit o właściwościach redoks stanowi wodny roztwór zawierający anion tiocyjanianowy (rodankowy) z dodatkiem nanocząstek złota, korzystnie o stężeniu w zakresie od 7,9·10-11 do 4,0·10-9 mol/L.
Wyjątkowo korzystnym jest kiedy wodny roztwór zawierający anion tiocyjanianowy (rodankowy) stanowi wodny roztwór rodanku potasu o korzystnym o stężeniu 7 mol/L.
Hybrydowy układ elektrochemiczny znajduje zastosowanie jako urządzenie do magazynowania energii.
Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskano następujące efekty technicznoekonomiczne:
• możliwość rozszerzenia napięcia pracy układu hybrydowego do 1,6 V ograniczonego w środowisku wodnym do 1,23 V, • uzyskanie lepszej propagacji ładunku dzięki wysokiemu przewodnictwu elektrolitu oraz zastosowaniu nanocząstek złota kompleksujących aniony tiocyjanianowe, • poprawę charakterystyki pracy układu oraz zwiększenie energii właściwej KE w szczególności dla wysokich wartości gęstości prądu (w zakresie 20 - 50 A/g), • możliwość uzyskania bardzo wysokiej wydajności elektrycznej i trwałości cyklicznej, • zmniejszenie toksyczności stosowanego elektrolitu, poprzez skompleksowanie anionu tiocyjanianowego, • obniżenie kosztów wytwarzania poprzez zastosowanie kolektorów ze stali nierdzewnej. Wynalazek przedstawiono w poniższych przykładach realizacji.
P r z y k ł a d I
Elektrody kondensatora elektrochemicznego, w formie tabletek o średnicy 10 mm i grubości ok. 0,3 mm wykonano z materiału węglowego - sadzy aktywowanej (ang. carbon black) o rozwiniętej powierzchni. W pierwszym etapie przygotowano homogenną gęstwę zawierającą materiał aktywny (80% wt.), sadzę (10% wt.), lepiszcze (10% wt. 60% zawiesiny politetrafluoroetylenu w wodzie) oraz rozpuszczalnik - etanol. Rozpuszczalnik odparowano w 120°C przy ciągłym mieszaniu gęstwy. Otrzymaną masę rozwałkowano, a z otrzymanego arkusza wycięto elektrody, które następnie wysuszono pod obniżonym ciśnieniem. Przygotowane elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym, oddzielono separatorem z włókniny szklanej. Naczynie wypełniono elektrolitem, który stanowił 7 mol/L wodny roztwór tiocyjanianu potasu (KSCN) z dodatkiem nanocząstek złota o stężeniu 1,99·10-9 mol/L. Napięcie cyklicznej pracy kondensatora wynosiło 1,6 V, a pojemność 144 F/g dla gęstości prądu 2 A/g. Energia właściwa wyniosła 12,8 Wh/kg.
P r z y k ł a d II
Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z sadzy aktywowanej (ang. carbon black) o rozwiniętej powierzchni właściwej. Materiał przygotowano w następujący sposób: sadzę aktywowaną (80% wt.), sadzę (10% wt.) oraz lepiszcze (10% wt. 60% zawiesinę politetrafluoroetylenu w wodzie)
PL 238 543 B1 umieszczono w etanolu oraz poddano mieszaniu w temperaturze 120°C do momentu odparowania rozpuszczalnika. Z otrzymanej masy przygotowano arkusz materiału elektrodowego o grubości 0,3 mm, z którego wycięto elektrody o średnicy 10 mm. Następnie elektrody suszono pod obniżonym ciśnieniem przed 12 godzin. Tak wykonane elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym i oddzielono separatorem z włókniny szklanej. Jako elektrolitu użyto 7 mol/L wodnego roztworu tiocyjanianu potasu (KSCN) z dodatkiem nanocząstek złota o stężeniu 1,99· 10-9 mol/L, co pozwoliło na uzyskanie napięcia pracy cyklicznej równego 1,6 V oraz pojemności 76 F/g dla gęstości prądu 50 A/g, a energia właściwa wyniosła 10 Wh/kg.
P r z y k ł a d III
W celu sporządzenia materiału elektrodowego stosowanego w kondensatorze elektrochemicznym do przygotowania elektrod, zmieszano węgiel aktywny, sadzę oraz lepiszcze (60% zawiesinę politetrafluoroetylenu w wodzie), tworząc zawiesinę w alkoholu krótkołańcuchowym. Rozpuszczalnik organiczny odparowano, a z otrzymanej mieszaniny przygotowano arkusz materiału elektrodowego o grubości 0,3 mm i wycięto elektrody o średnicy 10 mm, które następnie wysuszono pod zmniejszonym ciśnieniem. Elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym i oddzielono separatorem z włókniny szklanej, a naczynie wypełniono elektrolitem, stanowiącym 7 mol/L wodny roztwór tiocyjanianu potasu (KSCN) z dodatkiem nanocząstek złota o stężeniu 1,99·10-9 mol/L, co pozwoliło osiągnąć napięcie pracy cyklicznej równe 1,6 V oraz pojemność rzędu 131 F/g dla gęstości prądu 2 A/g. Energia właściwa wyniosła 12 Wh/kg.
P r z y k ł a d IV
Elektrody kondensatora elektrochemicznego przygotowano w formie tabletek o średnicy 10 mm i grubości ok. 0,3 mm z arkusza materiału elektrodowego składającego się z sadzy aktywowanej o rozwiniętej powierzchni, sadzy oraz lepiszcza. Następnie elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym i oddzielono separatorem z włókniny szklanej. Jako elektrolit zastosowano 7 mol/L wodny roztwór tiocyjanianu potasu (KSCN) z dodatkiem nanocząstek złota o stężeniu 4,0·10-10 mol/L. Wykorzystanie tak przygotowanego roztworu pozwoliło uzyskać napięcie cyklicznej pracy kondensatora 1,6 V oraz pojemność bliską 140 F/g dla gęstości prądu 2 A/g. Energia właściwa wyniosła 12,4 Wh/kg.

Claims (3)

  1. Zastrzeżenia patentowe
    1. Hybrydowy układ elektrochemiczny pracujący w elektrolicie wodnym, którego oddzielone separatorem elektrody wykonane są z materiału węglowego o wysoko rozwiniętej powierzchni właściwej, znamienny tym, że elektrolit o właściwościach redoks stanowi wodny roztwór zawierający anion tiocyjanianowy (rodankowy) z dodatkiem nanocząstek złota, korzystnie o stężeniu w zakresie od 7,9·10-11 do 4,0·10-9 mol/L.
  2. 2. Hybrydowy układ elektrochemiczny według zastrz. 1, znamienny tym, że wodny roztwór zawierający anion tiocyjanianowy (rodankowy) stanowi wodny roztwór rodanku potasu.
  3. 3. Hybrydowy układ elektrochemiczny według zastrz. 2, znamienny tym, że wodny roztwór stanowiący wodny roztwór rodanku potasu posiada stężenie 7 mol/L.
PL425071A 2018-03-28 2018-03-28 Hybrydowy układ elektrochemiczny PL238543B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL425071A PL238543B1 (pl) 2018-03-28 2018-03-28 Hybrydowy układ elektrochemiczny

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL425071A PL238543B1 (pl) 2018-03-28 2018-03-28 Hybrydowy układ elektrochemiczny

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL425071A1 PL425071A1 (pl) 2019-10-07
PL238543B1 true PL238543B1 (pl) 2021-09-06

Family

ID=68099352

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL425071A PL238543B1 (pl) 2018-03-28 2018-03-28 Hybrydowy układ elektrochemiczny

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL238543B1 (pl)

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PL222936B1 (pl) * 2013-03-11 2016-09-30 Univ Ekonomiczny We Wrocławiu Sposób biologicznego usuwania ładunku zanieczyszczeń z buraczanego wywaru gorzelniczego
PL231243B1 (pl) * 2015-09-28 2019-02-28 Politechnika Poznanska Kondensator elektrochemiczny

Also Published As

Publication number Publication date
PL425071A1 (pl) 2019-10-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tang et al. Functionalized carbon nanotube based hybrid electrochemical capacitors using neutral bromide redox-active electrolyte for enhancing energy density
Li et al. A metal-free and flexible supercapacitor based on redox-active lignosulfonate functionalized graphene hydrogels
Zilong et al. High performance flexible solid-state asymmetric supercapacitors from MnO 2/ZnO core–shell nanorods//specially reduced graphene oxide
Campbell et al. Battery/supercapacitor hybrid via non-covalent functionalization of graphene macro-assemblies
JP6859317B2 (ja) 半固体フローLi/O2電池
Sekhar et al. Birnessite-type MnO 2 nanosheet arrays with interwoven arrangements on vapor grown carbon fibers as hybrid nanocomposites for pseudocapacitors
CN104979105A (zh) 一种氮掺杂多孔碳材料、制备方法及其应用
US10685790B2 (en) Supercapacitor and a method for expanding the voltage range of an aqueous electrolyte suprcapacitor
KR20220158251A (ko) 탄소의 안정한 수성 분산액
US10008334B2 (en) Electrochemical capacitor
EP3422463A1 (en) Aqueous polymer electrolyte
Slesinski et al. A double-redox aqueous capacitor with high energy output
PL238543B1 (pl) Hybrydowy układ elektrochemiczny
CN102097212B (zh) 一种复合聚合物凝胶电解质及其制备方法
Wang et al. A H+-inhibiting anion exchange membrane as separator for a pH-decoupling Zn-ion hybrid supercapacitor
JP2003243260A (ja) 電気二重層キャパシタ
CN119650315A (zh) 一种离子液体基电解液、宽温域高压超级电容器及其应用
Park et al. Electrochemical characterization of electrolyte-filled porous carbon materials for electrosorption process
WO2017043568A1 (ja) リチウムイオンキャパシタ及びその正極活物質として使用する炭素材料
PL231243B1 (pl) Kondensator elektrochemiczny
RU2676468C1 (ru) Электролит для углеродного суперконденсатора с двойным электрическим слоем
PL237459B1 (pl) Kondensator elektrochemiczny
CN111418037A (zh) 水性电解液和包括该水性电解液的赝电容器
PL239001B1 (pl) Kondensator elektrochemiczny
JP7415298B2 (ja) 電極用スラリー組成物、電極、及び蓄電デバイス